Le bac 2023 de physique-chimie en Amérique du Nord, jour 2 : présentation de l'épreuve
Le sujet du jour 2 de l'épreuve de spécialité physique-chimie, session 2023 en Amérique du Nord, comporte trois exercices pour un total de 20 points et une durée de 3 h 30. Il est très déséquilibré : un grand exercice de physique de 11 points occupe plus de la moitié de l'épreuve, suivi de deux exercices de chimie plus courts, de 5 et 4 points. Le sujet couvre ainsi une large partie du programme de terminale : son, mécanique, thermodynamique, chimie organique, titrage, équilibre, pH et spectroscopie infrarouge.
Ce sujet complet est idéal pour une épreuve blanche. Il permet de tester à la fois la maîtrise des méthodes de rédaction, comme la deuxième loi de Newton ou le calcul d'un rendement, et la rigueur sur les unités, qui constitue le principal piège de l'ensemble du sujet. Voici une analyse exercice par exercice, suivie de conseils de gestion du temps.
Exercice 1 : Bicycle Moto cross (11 points)
Le premier exercice suit un pilote de BMX en trois temps : le départ, la course et la récupération dans un bain froid. Ses seize questions sont souvent courtes, mais elles mobilisent trois chapitres différents.
Le signal sonore de départ
Les deux premières questions portent sur le niveau d'intensité sonore. L'atténuation du casque se retranche : 83 dB incidents donnent 73 dB transmis pour le premier pilote. Pour le huitième pilote, plus éloigné, la formule donnée fait intervenir le rapport des distances à la source. Il faut prendre la distance totale de 11,0 m, et non les 7,0 m qui séparent les deux pilotes. Le niveau incident tombe à 74 dB et le niveau transmis à 64 dB : le son reste audible, mais il est plus faible. Les questions 3 et 4 demandent des explications qualitatives sur l'équité du départ avec deux haut-parleurs et sur l'intérêt de se fier au signal lumineux, beaucoup plus rapide que le son.
La descente et le saut
La question 5 fait appliquer le théorème de l'énergie cinétique sur la butte de départ, avec des justifications précises : vitesse initiale nulle, travail de la réaction nul, travail du poids moteur dans la descente. Le calcul de la question 6 donne un travail de la force motrice d'environ 6,1 × 103 J, à condition de convertir la vitesse de 61 km/h en m/s. La question 7 relie ce travail à une puissance d'environ 2,2 × 103 W, cohérente avec l'intervalle de l'énoncé.
Les questions 8 à 10 sont un grand classique : établir les équations horaires d'un mouvement dans le champ de pesanteur uniforme à partir de la deuxième loi de Newton, avec deux intégrations et des constantes déterminées par les conditions initiales. Le modèle prévoit une portée de 13 m, ce qui suffit pour franchir les 7,0 m entre les deux sommets. La calculatrice doit être en mode degrés. Le saut réel s'arrête vers 8,0 m : le modèle surestime nettement la portée, en particulier parce qu'il néglige l'action de l'air.
La récupération dans l'eau froide
La dernière partie relève de la thermodynamique. On cite les trois modes de transfert thermique, on écrit le premier principe sous la forme ΔU = Q pour un système incompressible, puis on exprime le flux thermique de deux façons. La question 15 demande la température du pilote après 10 min d'immersion : il faut convertir la durée en secondes, la capacité thermique en J/K, et choisir le bon signe, puisque le pilote cède de l'énergie à l'eau. Le modèle donne 29 °C, valeur irréaliste que la question 16 fait critiquer : le corps humain produit de l'énergie et régule sa température.
Exercice 2 : Optimisation de la synthèse de l'éthanoate de benzyle (5 points)
Le deuxième exercice est un exercice de chimie organique très structuré, en neuf questions. Il commence par la lecture de formules : formule brute de l'alcool benzylique, C7H8O, groupes caractéristiques et familles fonctionnelles (acide carboxylique, alcool, ester), puis reconnaissance d'un isomère. La molécule A, à 8 atomes de carbone, est écartée ; la molécule B possède la même formule brute avec un enchaînement différent.
La question 4 demande deux moyens d'accélérer une transformation lente : chauffer et utiliser un catalyseur. Il faut garder en tête que ces facteurs cinétiques ne modifient pas l'état final.
La suite constitue le cœur de l'exercice. Les quantités de matière initiales se calculent à partir des masses volumiques : 4,7 × 10-2 mol pour chaque réactif, ce qui rend le mélange équimolaire. Un titrage donne la quantité d'acide restant, 1,7 × 10-2 mol. On en déduit l'acide consommé par différence, donc l'ester formé, et un rendement de 0,64. Le piège à éviter consiste à calculer la fraction d'acide restant, 0,36, au lieu du rendement. La dernière question explique pourquoi le rendement passe à 0,71 dans un second protocole : l'acide est introduit en excès, ce qui déplace l'équilibre dans le sens de la formation de l'ester.
Exercice 3 : Fabrication de la bière (4 points)
Le troisième exercice, court et varié, suit la fabrication de la bière en six questions. Il commence par l'identification du motif de l'amidon, un cycle accompagné d'un seul oxygène de liaison, de formule C6H10O5. Il faut éviter de compter deux fois l'oxygène qui relie deux cycles.
La question 2 fait passer du pH à la concentration en ions oxonium : un pH de 5,6 correspond à 2,5 × 10-6 mol/L, valeur comprise dans la zone d'activité optimale des enzymes. La question 3 est le calcul le plus long : masse molaire du glucose, quantité de glucose dans un litre de moût, quantité de dioxyde de carbone grâce au coefficient 2 de l'équation, puis volume par l'équation d'état du gaz parfait. On obtient environ 25 L, à condition de travailler en pascals, en kelvins et en mètres cubes. La question 4 explique l'écart avec les 22 L mesurés, par exemple par une transformation non totale.
Les deux dernières questions portent sur la spectroscopie infrarouge. Le spectre présente une bande C=O d'ester vers 1740 cm-1, une bande C–O et des bandes C–H, sans bande O–H : il peut correspondre au butanoate d'éthyle. Mais il ne suffit pas à l'identifier, car un autre ester posséderait les mêmes liaisons.
Les compétences évaluées par ce sujet
Au-delà des notions, ce sujet évalue des compétences bien identifiées. La première est la capacité à mener un calcul juste et bien présenté : expression littérale, application numérique, résultat avec une unité et un nombre de chiffres significatifs adapté aux données. Le corrigé insiste sur ce point à plusieurs reprises, par exemple pour le volume de dioxyde de carbone, qui s'écrit 25 L et non 24,8 L, ou pour les niveaux sonores, donnés à l'unité.
La deuxième compétence est la rédaction d'une démonstration. Les questions 5 et 8 de l'exercice 1 attendent un raisonnement complet : définir le système et le référentiel, faire le bilan des forces, justifier chaque terme. Une expression juste mais non justifiée laisse des points en route. Il en va de même pour la question 6 de l'exercice 2, où la relation entre acide consommé et ester formé doit s'appuyer explicitement sur les nombres stœchiométriques.
La troisième compétence est l'esprit critique. Le sujet propose plusieurs modèles simplifiés et demande d'en discuter la validité : la chute libre pour le saut, le modèle de refroidissement du pilote, la transformation totale pour la fermentation, le spectre infrarouge pour l'identification d'une molécule. Dans chaque cas, la démarche attendue est la même : comparer le résultat du modèle à la valeur réelle ou à ce qu'on sait du phénomène, puis proposer une hypothèse simplificatrice qui pourrait expliquer l'écart.
Enfin, les questions de type « montrer que » ou « vérifier que » sont nombreuses : puissance de pédalage, activité des enzymes, compatibilité du spectre. La bonne méthode consiste à calculer sa propre valeur, puis à la comparer explicitement à l'intervalle ou à la valeur de l'énoncé, en écrivant une phrase de conclusion.
Gestion du temps sur l'épreuve
Avec 3 h 30 pour 20 points, le temps se répartit naturellement selon le barème : un peu moins de deux heures pour l'exercice 1, une cinquantaine de minutes pour l'exercice 2 et environ trois quarts d'heure pour l'exercice 3. Prévoyez quelques minutes de relecture à la fin.
Plusieurs stratégies sont possibles. Commencer par l'exercice 1 permet de sécuriser le plus gros du barème, mais sa longueur peut faire déborder. Commencer par les deux exercices de chimie, plus courts et très guidés, permet de prendre confiance sur 9 points du barème. Dans tous les cas, les parties de l'exercice 1 sont largement indépendantes : si vous bloquez sur la mécanique, la partie sur la thermodynamique reste accessible. Ne restez jamais trop longtemps sur une question, et notez les résultats intermédiaires donnés par l'énoncé pour poursuivre.
Conclusion : les points clés à retenir
Ce sujet récompense avant tout la rigueur. Les conversions d'unités reviennent dans les trois exercices : km/h en m/s, minutes en secondes, kJ en J, mL en L, degrés Celsius en kelvins, mètres cubes en litres. Les méthodes types sont incontournables : théorème de l'énergie cinétique, deuxième loi de Newton avec intégrations, calcul de rendement à partir d'un titrage, analyse chiffrée d'un spectre infrarouge. Enfin, plusieurs questions demandent de critiquer un modèle : comparez toujours les valeurs avant de proposer une explication physique. Le corrigé détaillé de chaque exercice reprend toutes ces étapes question par question.